IMU／DGPS辅助航摄项目中不同GPS定位方式实验研究

王 刚 胡 博 李爱华2

（1.北京洛斯达数字遥感技术有限公司，北京100012；2.湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉430040）

1 引言

IMU／DGPS辅助航空摄影测量的核心是获取高精度的外方位元素，包括3个线元素和3个角元素［1］。其中线元素的获取可以通过差分GPS（简称DGPS）和GPS精密单点定位（简称PPP）获取，常用的差分GPS包括基站定位和连续运行参考系统定位（简称CORS）两种模式。

基站定位方式是在地面架设基准站，将获取到的机载GPS数据与基站同步观测数据进行差分计算，得出基准站到卫星的距离改正数，对机载接收机的定位结果进行改正，获取摄站点的坐标。基站定位方式采用的是差分GPS（DGPS）技术，通过差分的方法可以消除或减小与GPS卫星有关的误差、信号传播过程中引入的误差和与接收机有关的误差。DGPS技术不需要考虑复杂的误差模型，解算模型简单，待估参数少，定位精度高，因此被广泛应用于IMU／DGPS辅助航空摄影中。

CORS定位方式是将测区内CORS作为地面已知基准站，将获取到的GPS定位数据与区域内CORS站同期数据进行联合差分获取摄站点的坐标。通过CORS站代替POS中的GPS基准站解算航摄仪的摄站位置，使不同架次解算出的摄站位置成果具有高度的坐标一致性，有效地减少了数据解算的工作量，提高了摄站位置成果的精度，大大提高了像片外方位元素3个线元素的精度和成果的一致性［2］。

PPP定位方式与差分定位不同，其主要是利用国际GPS服务机构（IGS）提供的精密卫星星历和精密钟差，结合单台含双频伪距及载波相位观测量的GPS接收机就可以实现在全球范围内的高精度定位［3］。利用非差分双频载波相位观测值、在初始化后进行单历元精密单点定位方法，以实现全球范围内的实时动态定位。目前，该方法用于动态航空测量已达到厘米级的精度［4-5］。

本文将通过多个输电线路工程IMU／DGPS辅助航空摄影应用实例，对三种不同定位方式对空三解算的影响进行对比分析。

2 试验方案设计

《电力工程数字摄影测量规程》DL／T5138-2015（以下简称“规程”）规定输电线路工程航摄宽度要求不低于2km，航线按线路路径方向敷设。通常使用大幅面数码航摄仪时，选择单航线飞行。每个工程由首尾相连的多个航带组成，单条航带长度一般为10-20km。本研究结合实际工程选择了平坦地、丘陵、山地三种地形作为试验区，依次编号为A、B、C。航空摄影飞机型号为运五B，搭载数码航摄仪为DMC，机载定位定向系统为POS／AV 510，摄影比例尺为1∶15000，地面分辨率为0.18m，设计成图比例尺为1∶2000。三个试验区所使用的定位方式和基本情况见表1所示。

表1 试验区情况

试验对地面基站、CORS、PPP、三种定位方式或获取的数据处理过程精度、直接利用后的成果精度以及最终成果精度进行对比分析，间接的评价三种定位方式的优劣。

2.1 偏心角及线元素偏移值中误差对比

由于检校场有足够数量且精度较高控制点，通过传统空三或联合平差的方法解算检校场航片的外方位元素，可将解算结果视为真值，与IMU／DGPS联合解算获取的航片外方位元素进行比较，计算出偏心角及线元素分量偏移值等系统误差参数。试验将对比分析三种不同定位方式所获得的偏心角和偏心分量中误差，评价内符合精度。

2.2 直接定向法检查点中误差对比

直接定向法（Direct Georeferencing，简称DG）是利用检校处理获取的偏心角和偏移值，对整个摄区像片进行角度系统差改正和线元素分量偏移值改正，即可得到系统误差改正后的外方位元素成果［6］。使用像片检校改正后的外方位元素直接定向恢复立体模型。试验将对比分析三种不同定位方式下野外检查点误差，评价外方位元素的精度。

2.3 IMU／DGPS辅助空三法检查点中误差对比

IMU／DGPS辅助空中三角测量方法（Integrated Sensor Orientation，简称ISO）是将直接定向所使用的外方位元素作为带权观测值参与摄影测量区域网平差，获得更高精度的像片外方位元素成果［6］。试验将在直接定向的基础中增加少量控制点重新进行平差计算，然后对比分析三种不同定位方式下野外检查点的中误差，评价空三成果的精度。

3 实验对比分析

3.1 偏心角和偏心分量误差

三个试验区的检校场位置均避开山地，交通状况良好。检校场按照《IMU／GPS辅助航空摄影技术规范》（GB／T27919-2011）的要求设计4条对飞航线进行航摄，每条航线16张航片，旁向重叠50%、航向重叠80%。试验数据预处理选用POSPac，软件支持多种定位方法的数据处理方法，有多种精度评价指标。利用软件将机载GPS数据、IMU数据与地面基站静态GPS数据（精密星历数据、CORS站数据）进行计算处理，得到曝光时刻影像的6个外方位元素。通过检校计算得到的偏心角和偏心分量以及三种不同定位方式对偏心角和偏心分量中误差。

表2 偏心角及线元素偏移值中误差对比表

从表2可以看出不同的定位方式均完全能够满足规范对检校计算的精度要求，不同定位方式精度无明显差异。

3.2 直接定向条件下检查点误差

试验使用INPHO软件进行直接定向作业。由于POS系统误差尤其是视准轴误差的存在，直接将POS系统提供的像片外方位元素用构建立体模型存在上下视差［7］，试验通过自动相对定向，对模型外方位元素进行平差消除了视差［8］。

表3 直接定向检查点中误差对比表

从表3中可以看出三种不同定位方式通过外方位元素直接定向量的成果精度并未明显差异，但由于存在系统误差，直接定向量测的地物精度不能满足规程中对输电线路工程空三解算结果平面0.8m、平坦地高程0.30m、丘陵和山地高程0.50m的相关要求。

3.3 IMU／DGPS辅助空三检查点误差

IMU／DGPS辅助空中三角测量与传统的空中三角测量不同，即引入了影像精确的外方位元素，可大大提高相对定向成功率和绝对定向精度。通过检校场空三数据的解算，获取IMU／DGPS数据偏心角以及线元素偏移值，利用偏心角及线元素偏移值对测区的初始外方位元素进行改正，得到像片在摄影测量坐标系中的外方位元素。在获取相片外方位元素之后，进行相对定向，并在绝对定向过程中将IMU／DGPS作为带权观测值单独进行光束法平差，或者IMU／DGPS数据联合地面控制点数据进行光束法平差，得到每张相片更高精度的外方位元素［9］，即完成IMU／DGPS辅助空三解算工作。

表4 IMU／DGPS辅助空三解算精度对比表

试验发现，在实施IMU／DGPS辅助航空摄影技术的输电线路项目中，无论采取哪种定位方式，随着参与空三解算的像片控点数量的增加，空三精度随之提高。当加入三个及三个以上像片控点时，空三精度基本趋于稳定。采用三点法，即每条航带上布设前、中、后各一个点的方法的空三精度就能够满足规程中对检查点平面中误差和高程中误差的精度要求。但从表4不同地形和不同方案对精度的满足程度来看，三种定位方法无明显优劣。

3.4 作业过程对比

对于地面基站、CORS和PPP三种GPS定位方式，由于作业模式不同，在工程应用中具有各自不同的特点。

基站定位技术需架设地面基站，实现地面基站GPS与机载IMU／GPS同步观测，在航飞结束后即可获取内业处理数据，同步观测采用差分计算方法可消除两站接收机公共系统误差，提高基站定位精度。地面基站架设位置灵活机动，但随着机载IMU／GPS至基站距离的增加又出现了无法用差分计算方法消除的系统误差的问题，因此对于基站定位方式，单个基站覆盖范围有限。差分GPS计算精度与基站与飞机间的距离有关系，基站与机载IMU／GPS距离越大，用GPS差分得到的位置精度越低［10］。实际工程应用时按照每100km线路布设1个地面基站，航飞工作结束后即可进行数据后处理，数据获取周期短。但对于上千公里长的输电线路工程而言，全线架设地面基站数量较多，加之跨度长，途径地区天气情况复杂，协调事宜较多，需要较多测量人员和设备在现场待命，费用成本较高。

CORS定位外业工作更轻松便捷，在IMU／DGPS辅助航空摄影中，不需另外架设地面基准站，直接将区域内CORS站点作为地面基准站进行联合平差，省去了外业架设地面基站的工作。CORS站呈网状分布，在有效覆盖范围内大致均匀，与离开最近参考站的距离没有明显的相关性，有效地避免了架设基站产生的粗差，从而降低系统误差，同时CORS系统摆脱了无线电技术的束缚，使差分信号的传输不受距离限制，增加了有效的作业范围，其成果可靠，费用较低，提高了外业作业效率，节约了外业成本核算。但是由于目前国内CORS站建设不完善，覆盖区域不完整，工程应用申请手续繁琐等因素导致目前国内单纯依靠CORS站作业的方式很少应用，特别是对于输电线路工程来说，其形状呈带状分布，选择合适的CORS站点也存在一定的困难。

PPP定位技术无需架设地面基站，仅需单台双频GPS接收机即可实现高精度定位，其解算成果中解算点位精度均匀、无误差累积、直接获得最新的ITRF框架的三维地心坐标。PPP定位技术可在全球范围内使用，不受区域限制，且节约了外业地面基准站架设的成本，提高了外业作业效率。但其进行内业数据解算时必须依赖于IGS服务组织提供的精密卫星星历文件（卫星精密轨道数据和精密卫星钟差数据），而精密卫星星历文件的获取需要大概11～14天时间延迟等待，无法实时获取，获取周期较长。

4 结论

本文通过对多个工程实例的对比试验，分析了地面基站、CORS站、PPP三种不同定位方式对数据成果精度的影响分析，并根据精度分析结果结合三种定位方式的不同特点探讨了其各自的使用条件。得出以下结论：

地面基站、CORS站、PPP三种定位方式获取的数据经与IMU联合解算、检校场检校后的精度满足规范要求；利用三种定向方式获取的像片外方位元素值用于直接定向不能满足输电线路工程1∶2000的精度要求；通过IMU／DGPS辅助空中三角测量的方法，每条航带只需布设首中尾三个像片控制点就能满足规范要求；三种定位方式对IMU／DGPS辅助空中三角测量的成果精度的影响无明显差异。

对比分析了地面基站、CORS站、PPP三种定位方式适用性。在实际工程应用中，可根据工程的工期要求、人员和设备情况以及沿线CORS站分布综合考虑选择单一的定位方式或多种方式相互补充。